北京时间3月13日消息,据国外媒体报道,许多人都听说过著名科学家爱因斯坦的一个论断,即光速不可超越。然而,意大利OPERA实验室科学家于去年末曾经通过实验得出结论认为,微中子可能快过光速,这一结果似乎颠覆了多年来被大多数人奉为权威的爱因斯坦理论。尽管后来证实,这一结果是由于实验环节出现误差而得到的,可能并不正确,但是这也证明了科学未知领域的复杂性和神秘性,尤其是微中子领域。
纵观历史上所有的微中子实验,似乎都取得了一度振奋人心的结果,但并没有得到能够真正挑战爱因斯坦相对论的实质结果。尽管实验结果仍然令科学家迷惑不解,但也解决了不少理论上的谜团和难题。以下就是历史上著名的中微子实验:
1. 日本Super-Kamiokande中微子实验
日本Super-Kamiokande中微子实验
中微子是一种极其微小的基本粒子。对于宇宙中的每一个质子或电子来说,可能都至少有10亿个中微子。科学家们需要弄清楚,中微子究竟是如何工作的,因为它们与物理学许多领域都存在紧密联系。这种无处不在的粒子从宇宙大爆炸后几毫秒内就开始存在,在元素的放射性衰变中、恒星的核反应中以及超新星爆炸过程中都会产生新的中微子。
美国费米实验室“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说,“它们是宇宙中的一种主要粒子,但我们至今对其知之甚少。”中微子之所以难以理解,主要原因在于它们几乎不能与其他物质结合。与常见的电子不同的是,中微子没有电磁电荷;它们质量非常轻,以致于科学家们长期以来一直认为它们根本没有质量。探测它们需要紧密监测一大容器物质(如水),中微子撞击到其他粒子时,会产生可观测到的变化。如,本图所示的是日本Super- Kamiokande中微子实验环境,研究人员正坐着一艘小船行驶于其中。这个探测器由一个装满5万吨水的大容器和11000多根光倍增管组成。
2. β衰变
β衰变
科学家们最早是在β衰变过程中开始关注这种微型粒子的。20世纪初,研究人员注意到β衰变中的一些奇怪现象。如果释放出来的粒子只有电子,那么 β衰变这个过程似乎违背了物理学定律,即能量守恒和动量守恒。当时没有人知道为什么会出现这种现象。然而,在每个新实验结果中,违背物理学定律的证据变得越来越有力。20世纪30年代,物理学家沃尔夫冈-保罗开始怀疑,核衰变过程可能比此前认为的更复杂。如果一个原子在β衰变过程中也辐射出其他事物,那么这些违背物理学定律的矛盾就迎刃而解了。这种所谓的其他事物,应该就是中微子。但是,如果中微子存在,它们必须非常轻,而且难以交互。没有人看到过符合这种条件的粒子,也没有人想到较好的办法去发现它们。在相当长一段时期内,科学家一直认为探测中微子是不可能的。
3. 发现中微子实验
发现中微子实验
1956年,研究中微子的物理学家们有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年内,美国人在原子武器项目中建起了多个核反应堆。许多研究人员认识到,这些核反应堆每秒每平方英寸内辐射出300万亿个中微子,因此可以用来探测中微子。尽管中微子很难与其他物质结合,但是也存在一种微弱的可能性,即存在足够多的物质,一个中微子应该可以撞击到某种事物。
在β衰变的反过程中,这种直接撞击可以产生伽马射线。当时,物理学家克莱德-科万和弗里德里奇-雷恩斯研制一个探测器并置放到南卡罗来纳州萨瓦那河电厂附近,只要反应堆开启,他们的实验就有可能首次探测到中微子。虽然科万于1974年就已去世,但雷因斯却因此于1995年荣获诺贝尔奖。本图所示内容为,两位科学家宣布发现中微子的电报。
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